一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法技术

本发明专利技术公开了一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，所述方法包括：获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；将冰雪回波强度随时间变化的观测值，转换为冰雪回波强度随冰雪内部深度变化的观测值；根据冰雪回波强度随冰雪内部深度变化的观测值，确定冰雪内部分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布信息；获取被动超宽带微波辐射计测量的冰雪辐射亮温值；基于冰雪内部分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布，建立冰雪辐射亮温前向模型和回波强度前向模型；采用统计回归反演算法或者物理反演算法，得到冰雪内部状态分布数据。本发明专利技术改变了采用假设模型对冰雪内部状态分布进行预测和估计的现状。

【技术实现步骤摘要】
一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法
本专利技术涉及微波遥感领域，尤其涉及一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法。
技术介绍
冰雪内部和基底物理性质决定了冰雪的物质平衡，其中，冰雪内部温度、密度、冻融状态等状态分布十分重要，对于合理预测未来冰雪演化过程及其对气候的影响而言，需要对这些状态分布进行有效的估计和测量。但由于受到环境和技术实现成本的限制，对冰雪内部性质的现场测量很难进行，因此冰雪内部状态分布的实际观测数据十分匮乏，往往通过经验模型预测，而不同模型之间的输出结果往往相差较大，不能保证预测的可靠性。所以，发展一种冰雪内部温度、密度、冻融状态等状态分布的探测方法十分有意义。状态分布中，冰雪内部温度分布是指随深度变化的冰雪内部物理温度。冰雪内部温度分布受到表面积累率、表面温度、地热流通量以及冰厚、冰内热交换和应力作用的影响，对于冰雪动力学和热力学的理解十分重要，在冰雪与外界环境的能量和物质交换分析和未来气候预测中是基本的参数之一。目前，冰雪内部温度的数据主要来源于钻孔和冰芯的现场测量。然而，受到地域和技术实现成本的限制，关于冰雪内部温度分布的观测极为稀疏，不能提供覆盖整个冰雪区域的温度测量。对于研究冰雪演化和物质平衡的需求而言，需要覆盖大范围的冰雪内部温度分布的信息，遥感是最合适的手段之一。目前，关于冰雪内部温度反演的遥感研究主要基于俄亥俄州立大学和意大利联合研制的UWBRAD超宽带软件定义微波辐射计，其利用不同频率通道的辐射亮温对不同深度温度分布的响应进行温度分布的反演。但在实测数据分析后发现，冰雪发射受到包含分层结构、密度分布随机波动和内部显著反射层效应等一系列因素的影响，只采用被动微波辐射计并不能对这些因素进行有效的约束，严重限制了利用被动微波辐射计测量结果反演冰雪内部温度分布的能力。由于密度分布随机波动和内部显著反射层效应影响的均是冰雪内部反射层对应的介电特征，因此本专利技术的以下叙述中，将分层结构和密度分布随机波动和内部显著反射层效应称为内部分层结构和内部反射层对应的介电特征。冰雪内部密度分布是指随深度变化的冰雪内部密度。冰雪内部密度分布受到降雪事件、隔热变化、季风事件和积雪压制过程的作用，形成了平均密度分布加上随机波动的形式。冰雪内部密度分布的信息对于预测冰雪对海平面贡献而言十分重要。目前，冰雪内部密度分布的数据同样主要来源于钻孔和冰芯的现场测量。因此也受到观测区域的限制，分布极为稀疏，不能提供覆盖整个冰雪区域的观测。对于预测冰雪对海平面贡献的需求而言，要将测量的冰雪体积变化转化为质量变化，这一转化过程需要冰雪内部密度分布的空间覆盖和时间变化信息，遥感是最合适的手段之一。目前，关于冰雪内部密度反演的遥感研究主要基于地基单发多收或多发多收的地表穿透雷达，对不同接收天线观测到的回波强度随时间变化的观测值进行干涉处理，建立反射位置深度对应的回波干涉相位与相应位置深度电磁波传播速度的关系，进而由电磁波传播速度与密度的关系对冰雪密度深度分布进行反演。这种方式需要多组收发天线的收发路径之间存在可辨的回波强度随时间变化的差别，从而提取较为准确的干涉相位，因此要求不同组收发天线之间的距离差别较大，这对于地基平台实现起来相对容易，但对于空中和空间平台的扩展较为困难，因此空间覆盖范围也很有限。冰雪内部冻融状态在本专利技术中专门代指冰雪基底存在的消融现象，基底消融与地热流通量直接相关，由于地热流通量的分布不同，使得冰床与冰雪基底的热平衡状态也会随空间位置变化，较高的地热流通量会导致冰雪基底融化，甚至产生冰下湖，从而对基底产生润滑作用，减小摩擦，改变应力结构，加快相应位置冰雪体量的消减和向冰雪边缘的运动速度，从而加快对海平面的贡献。目前，冰雪内部冻融状态的判断主要依赖于表面穿透雷达，通过冰雪基底回波强度对冰雪基底反射率进行定量分析，根据冰雪基底反射率的特征判断冻融状态。冰雪基底反射率的定量分析需要对冰雪内衰减进行准确估计，而这一点需要通过其它观测手段或经验模型对冰雪内部温度等决定衰减的状态分布参数进行估计和预测，通常不确定度很高，因此不能准确判断冻融状态。另一方面，此前，在欧空局的SMOS任务中对南极Vostok冰下湖区域的亮温观测结果中发现，冰下湖对应辐射亮温观测中的冷目标，从而相应位置的辐射亮温明显低于周围冰冻基底区域的辐射亮温值。因此，被动辐射亮温观测值在一定程度上也能够反映冰雪内部冻融状态。但由于辐射传输过程中的待定因素很多，辐射亮温偏低的现象也只能作为一种指示倾向，并不能够作为冻融状态的判断指标。综上，目前冰雪内部性质的遥感探测手段主要包括地基分组收发装置表面穿透雷达、机载多频段表面穿透雷达和机载超宽带微波辐射计。地基分组收发装置表面穿透雷达用于冰雪内部密度分布的观测。机载多频段表面穿透雷达用于对冰雪内部反射层和冰雪基底地形进行描绘。机载超宽带微波辐射计测量不同频率通道的辐射亮温值，通过不同频率通道辐射亮温对不同深度温度分布的响应对冰雪内部温度分布进行描绘。但是，目前提出的主动和被动遥感探测手段均无法实现空间范围上冰雪内部温度、密度和冻融状态等状态分布的有效反演，如地基分组收发装置表面穿透雷达很难向空中和空间平台扩展，因此不能实现大范围的密度分布观测，不能满足科学目标需求。机载主动多频段表面穿透雷达本身只能反映冰雪内部反射层的位置和相应回波强度的大小，对密度分布而言只能估计密度随机波动变化部分的参数；对冰雪内部温度分布和冻融状态而言，都需要介电衰减的定量分析，而介电衰减单独依靠主动雷达回波强度并不能够进行估计。超宽带微波辐射计的反演受限于冰雪辐射亮温的前向模型对实际亮温观测值的预测能力，而辐射亮温前向模型基于冰雪分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布建立，分层结构与内部反射层对应的介电特征垂直分布只能通过先验模型和假设进行估计，不同的模型输出的结果可能有很大差异，因此基于未进行分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布有效约束的辐射亮温前向模型建立的反演算法，均受到关于冰雪分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布的先验假设准确度的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，所述方法包括：获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；获取被动超宽带微波辐射计测量的冰雪辐射亮温值；将冰雪回波强度随时间变化的观测值和冰雪辐射亮温值输入训练好的冰雪状态模型，得到冰雪内部状态分布数据；所述冰雪状态模型采用统计回归反演算法得到。作为上述方法的一种改进，所述获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；具体包括：使用主动超宽带表面穿透雷达在探测频段内进行测量，得到冰雪回波信号；对冰雪回波信号进行表面杂波抑制；将抑制表面杂波后的冰雪回波信号转化为冰雪回波强度的时间序列，得到冰雪回波强度随时间变化的观测值。作为上述方法的一种改进，所述获取被本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，所述方法包括：/n获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；/n获取被动超宽带微波辐射计测量的冰雪辐射亮温值；/n将冰雪回波强度随时间变化的观测值和冰雪辐射亮温值输入训练好的冰雪状态模型，得到冰雪内部状态分布数据；所述冰雪状态模型采用统计回归反演算法得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，所述方法包括：
获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；
获取被动超宽带微波辐射计测量的冰雪辐射亮温值；
将冰雪回波强度随时间变化的观测值和冰雪辐射亮温值输入训练好的冰雪状态模型，得到冰雪内部状态分布数据；所述冰雪状态模型采用统计回归反演算法得到。


2.根据权利要求1所述的冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，其特征在于，所述获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；具体包括：
使用主动超宽带表面穿透雷达在探测频段内进行测量，得到冰雪回波信号；
对冰雪回波信号进行表面杂波抑制；
将抑制表面杂波后的冰雪回波信号转化为冰雪回波强度的时间序列，得到冰雪回波强度随时间变化的观测值。


3.根据权利要求2所述的冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，其特征在于，所述获取被动超宽带微波辐射计测量的冰雪辐射亮温值；具体包括：
使用被动超宽带微波辐射计在探测频段内进行测量，得到测量值；
通过系统定标和天线方向图，将测量值转换成各通道的冰雪辐射亮温值；
对各通道进行评估和处理，得到冰雪的辐射亮温值。


4.根据权利要求3所述的冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，其特征在于，所述方法还包括：所述冰雪状态模型的训练步骤；具体包括：
获取冰雪内部温度、密度和冻融状态的分布数据，将分布数据与冰雪回波强度随时间变化的观测值和冰雪辐射亮温值进行时空匹配，得到辐射亮温观测值和回波强度随时间变化的观测值与冰雪内部温度、密度和冻融状态分布数据的匹配数据集；
从匹配数据集中随机选取部分数据作为训练集，其余数据作为测试集；利用训练集得到自变量辐射亮温观测值和回波强度随时间变化的观测值与因变量冰雪内部温度、密度、冻融状态分布数据的冰雪状态模型；
使用测试集对建立的冰雪状态模型进行测试，评估冰雪状态模型的性能，得到最优的冰雪状态模型。


5.一种冰雪内部状态分布的主被动联合微波遥感探测方法，所述方法包括：
获取主动超宽带表面穿透雷达测量的冰雪回波强度随时间变化的观测值；
将冰雪回波强度随时间变化的观测值，转换为冰雪回波强度随冰雪内部深度变化的观测值；
根据冰雪回波强度随冰雪内部深度变化的观测值，确定冰雪内部分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布信息；
获取被动超宽带微波辐射计测量的冰雪辐射亮温值；
基于冰雪内部分层结构和内部反射层对应的介电特征垂直分布，建立包含冰雪内部温度、密度和冻融状态的冰雪辐射亮温前向模型和回波强度前向模型；
设置冰雪内部温度、密度和冻融状态分布为待反演参数，建立代价函数，将待反演参数输入冰雪辐射亮温前向模型，得到模拟亮温值；将待反演参数输入回波强度前向模型，得到回波强度模拟值；将模拟亮温值、回波强度模拟值、冰雪辐射亮温值和冰雪回波强度随冰雪内部深度变化的观测值输入代价函数，调整待反演参数，直到代价函数的结果在设定的阈值范围内，此时得到的待反演参数对应的冰雪内...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晓龙，白东锦，朱迪，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11